用纳米世界的眼光来衡量,驱动蛋白的力量不算小,足以把一根结实的微管折成两段。于是,福格尔选中了驱动蛋白来当做纳米火车的动力。实验证明,这个类似幻想的想法是正确的,把奶牛大脑中的驱动蛋白取出来,涂在滑道上,它已经能够驮着货车(一小段微道),漫无目的地四处乱动。
四处乱动的驱动蛋白已经显示了它的力量,下一步的工作就是限制它的乱动,把它的作用限制在轨道中,成为一节节货车。轨道建在光滑的特氟隆表面,在光滑表面划出一道凹槽,迫使驱动蛋白只能在凹槽里朝一个方向运动。
用一束X光或电子束是可以刻出凹槽的,但是,X光也好,电子束也好,刻出来的凹槽都太宽,有100纳米。后来,找到了一种新技术,用原子力显微镜改装成“笔”,划出的凹槽可以细到30纳米,这样,就可以轻而易举地制造出纳米火车的轨道。因此,纳米火车不是靠轮子在两条轨道上滚动,而是生命物质——驱动蛋白在凹槽内运动。
纳米火车比细菌还小,无法供人参观,实验人员也只能通过显微镜去观察,为了看得更清楚,微管上涂了荧光涂料。后来看到,把驱动蛋白铺到作为轨道的凹槽上的时候,竟高出了一大截,原来凹槽深度只有25纳米,容不下胖胖的驱动蛋白,货车就可能脱离轨道,向旁边驶去。研究后得出结论,应该控制驱动蛋白的浓度,浓度不高不低的时候,驱动蛋白就乖乖地沿着轨道运动。
有了轨道,有了会运动的驱动蛋白,有当做货车的微管,纳米火车似乎可以开动了。到这时还要交待一下,纳米火车的能源是什么。当然不是煤和石油,而是在动物体内的现成能源:三磷酸腺苷(ATP)。初步设定,纳米火车的速度是每秒1微米,只要减少ATP的供应,车速就会慢下来。
最后的问题,也是一个尚未有明确答案的问题,纳米火车用来运送什么货物呢?作为试验,首先将在货车上装载生物素分子,这是一种可以从蛋黄中找到的维生素,也可以是别的抗生物素蛋白,总之这是些容易看得见的光点,而且不同货物呈现不同的彩色,这就容易观察出这些火车是否会相互碰撞,到底拉着货物能走多远。
这时,更需要想一想,纳米火车的用处在哪里,用这种微小的火车运什么货呀?
福格尔本人说,纳米火车只是实现幻想的中间步骤,在最近20年内能用纳米火车做什么,只能靠猜测。问题又回到本文开头所说的,需要发挥想像力。
这里,列出两个可能的前景,供读者去想像。
纳米火车运送的货物中,也许会有碳纳米管。未来的计算机芯片会采用碳纳米管来做导线,用碳纳米管组装的芯片只有现在硅芯片的1/1000大。目前,如何用碳纳米管来组装的方案还没有拿出来。发明纳米火车的科学家已经为这个方案准备好了运输工具,极富想像力地说:“如果在组装芯片时,需要运送碳纳米管的话,瞧,我已经作了准备,把世界上最小的火车,纳米火车拿去用吧。”
纳米火车也许是为未来的机器人准备的,这是一群一群比细菌还小的机器人,他们利用原子、分子或化学物质去组装微型电动机、螺旋桨,制造各种微型机器。机器人当中,有装配工,也有运输工,因此,用纳米火车来运送组件是必要的。
……
看过纳米火车的报道,真是大开眼界,没想到在纳米尺寸内居然能有火车,居然想出用奶牛大脑里的驱动蛋白来作动力能源。这个报道,把我们的眼光引入微观世界,看到了可能出现的机器。不过,正如发明纳米火车的福格尔所说,在最近20年内能用纳米火车做什么呢?
不知道。发明者本人尚且说不清,纳米尺寸的机器和机器人尚不知道是什么样,尚不知道有什么用,正在等待开发。
气味从哪儿来
你在自己的房间里看书,闻到一股炒菜的香味,你马上知道,妈妈正在做好吃的菜。香味怎么从厨房传到你的鼻子里来呢?
化学告诉我们,香味来自一些气味分子,尽管气味分子在空气中扩散,我们的鼻子仍然能够感觉到,这是人的化学感觉,舌头能品尝味道也是化学感觉。而眼睛、耳朵、手对外界的感觉来自光、声音和触觉,那是物理感觉。
人能闻气味,是生来就有的功能。婴儿出生以后,很快就能凭着气味识别自己的母亲,说明从那一时刻起,人就通过鼻子——嗅觉器官去采集外界送来的化学信息,并向人脑报告。
别小看我们的鼻子,它是一个精细的气体传感器。它有细微的嗅纤维,不断自发地晃动,感受气体分子是否到来,随后就把气味信息传给嗅细胞,最后由嗅细胞向大脑报告,在大脑中形成气味的感觉,判断是香还是臭。
人的鼻子里,嗅细胞多达500万个,都非常敏感,只要接收到8个气味分子,就会发出“气味来了”的信号,气味分子积累到40个的时候,就可以辨别出是什么气味了。
人也分泌气味分子,最容易闻到的是汗臭。脚汗只占汗水的09%,不到1%,但是,一脚踏在地上,每一个脚印至少留下200亿个气味分子。因此,罪犯逃跑的时候,留下了脚印,也留下了气味分子,这就可以带着警犬去追踪,即使狡猾的罪犯中途换鞋,也逃不过警犬敏锐的嗅觉,只要有一个气味分子吸附到嗅细胞上,警犬也会发出信号。狗的嗅觉感知能力超过人的100倍。
人对气味的感知能力也有差别,竟有人是嗅盲,即使不感冒,他也闻不到气味。
人最爱闻的气味是香味,能散发香味的物质叫香料。香料的来源很广,有从动物体内取来的,包括从抹香鲸身上取来的龙涎香,从麝鹿身上取来的麝香,从灵猫身上取来的灵猫香,从海狸身上取来的海狸香。
从动物身上获取香料已成为过去的历史,为了得到1克麝香,必须猎取3头雄麝,文明的进步不允许人们滥杀野生动物。其实,人们早已从植物中去寻找香料,带有香味的花草很多,诸如香茅草、薄荷、茉莉花、玫瑰花等等。从植物中提取香油也不容易,1千克鲜薄荷只含1克薄荷香油,3000朵玫瑰花也只能提取出1克玫瑰香油。
随着化学工业的发展,人们用人工方法合成了数千种香精,仿制出各种香味,用来制造香水、香皂,为牙膏和洗头膏增添香味。有的香料放出的香味酷似香蕉、橘柑、苹果、菠萝,于是,就掺在糖果和饮料之中,香蕉糖、橘子糖和一些饮料,并不是用水果做的,只不过具有一点水果香味而已。
在生活中,我们经常接触的是食品中的气味,除了臭豆腐的臭味,鱼虾中的鱼腥味以外,大多是香味。烤面包、烤肉串会发出诱人的香味;炒菜既有肉香,也有蔬菜的菜香;水果的香味各不相同,苹果的香与菠萝的香完全不同,绿茶与红茶的香味也不同。
绿茶具有来自绿叶的清香,在加工过程中又增加了新的芳香物质。分析某种乌龙茶,香味组分有19种之多,而红茶由于经过发酵,组分更为复杂,已鉴定出的化合物有38种,其中有茉莉花香、玫瑰花香、冬青油香等等。
长期以来,人们对气味化学怀有浓厚的兴趣,不断地研究为什么不同物质产生的气味各不相同,嗅觉器官是怎么接收和鉴别这些气味的。研究这个问题,不仅仅是为了丰富我们对自然界的认识,仿造一些香精,还可以研究出模仿人类和动物嗅觉器官的电子鼻或是别的什么“鼻”。
研究气味化学,涉及气味与分子结构的关系,遗憾的是还有许多问题还没有弄清,有待于进一步探索,去建立完整的理论。在这里,把已经提出来的看法罗列出来。
有人认为,气味物质所产生的气味各不相同,是由气味物质的分子结构所决定的。有气味的物质,都含有某些原子或原子团。这些原子团称为形成气味的基团,又叫发香集团。发香的原子稍多一些,而含氮、硫的有机物就有强烈的臭味。发香集团有醇类、羧基化合物、酯类等等。
醇类有多种香味,庚醇有葡萄香气,辛醇有蔷薇香味,有的有百合花香气,有的含有麻醉性的气味。
看起来,这种理论着重分析了气味物质的组分。产生气味的原子团不同,就会产生不同的气味。
可是,气味分子的组成、结构与香气之间的关系相当复杂,目前,还不能解释单一的香料具有哪一种香气,也无法确定香气的强度、质量和特性。现在,还没有一个精确的测定标准,往往只能靠主观评定,准确性就打了折扣。
于是,另有一种看法认为,气味来自分子的形状和大小。有位科学家收集了20多种与樟脑气味相同的化合物,发现尽管分子结构及其中的原子团都不相同,但是,气味相同,这些化合物的形状和大小都一样。物质分子在空间都有一定的形状,形状也是多种多样,有球形、盘形、风筝形、棒形、楔形等。
气味分子有形状和大小的差别,这就可以推论人和动物的嗅觉也有对应的受体,樟脑气味分子大致呈球形,受体分子必定是个碗形,碗正好盛下一个球,人就闻到了樟脑味。从研究结果看,麝香气味分子是盘形,花香分子是风筝形,薄荷分子是楔形,乙醚的气味分子是棒形。嗅觉器官的受体分子也有相应的形状,就像模型与模具,相互吻合就闻到了气味。
这种理论还认为,所有的气味都是由7种原气味组成的。这7种原气味是:樟脑味、麝香味、花香味、薄荷气味、乙醚气味、辣味和腐烂味。这种说法,类似对色彩的分析,虽然电视的色彩看上去五颜六色,其实都是由红、绿、蓝3种原色组成的。这种说法,虽然找出了7种原气味,可是,辣味分子、腐烂气味分子却与分子的形状和大小并没有太大的关系,也不能说得那么圆满。
科学家还从其他角度研究气味分子的电性、分子量的大小、光谱范围,希望能找出统一的、完整的理论,来解释决定气味本质的因素。
为什么金属陶瓷能耐高温
时代的飞跃,生产的发展,越来越迫切地需要高速度。汽车赛过了马车,火车又赛过了汽车;飞机赛过了火车,火箭又赛过了飞机。
燃油发动机转动着汽车的轮子,转动着火车的铁轮,也推动着飞机前进;喷气式飞机更快,最大飞行速度是声音速度的3倍多;而宇宙火箭的速度更是惊人……高速与高温紧紧相连:喷气时,燃料燃烧的温度极高。从火箭喷气口喷出的那白炽耀眼的气体,达到了5000℃,简直是火的旋风。要知道,太阳表面的温度也不过是6000℃左右!
在高速飞行的火箭上,高能燃料燃烧,需要特殊的喷气设备。谁能耐得住5000℃的考验呢?木头不行,塑料不行,玻璃不行,金属也不行。用陶瓷行不行呢?陶瓷虽然比金属要好一些,但是太脆了。
人们把一些金属细粉掺到黏土里,烧成了“混血儿”——金属陶瓷。金属陶瓷具有金属与陶瓷的某些优点,使它像金属那样韧而不脆,像陶瓷那样能耐高温、高硬度和抗氧化性能等。加了20%金属钴的金属陶瓷,能够胜任宇宙火箭喷火口的高温考验。
现代的宇宙火箭,大都是分级的,叫做“多级火箭”:当金属陶瓷中的金属挥发光了时,火箭燃料也就烧得差不多了,整段火箭就离开了载体。载体中的另一级火箭又开始喷气了,继续推着人造卫星向前挺进。
金属陶瓷还可以用来切削金属,犹如快刀削番薯似的;金属陶瓷用在原子能反应堆里,可以抵抗强大的敌人——液态金属钠的侵蚀。所以金属陶瓷虽然只有短短的30多年历史,但已经成了一种极为重要的尖端科学材料。